Книги по разным темам Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 8 05;06;11;12 Магнитные свойства термически напыленных тонких пленок Fe/GaAs (100) й А.А. Веселов, А.Г. Веселов, С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Ю.А. Филимонов Саратовское отделение Института радиотехники и электроники РАН, 410019 Саратов, Россия e-mail: fil@sfire.san.ru (Поступило в Редакцию 21 января 2002 г.) Термическим испарением при скоростях осаждения 3Ц30 /s и рабочем давлении 10-5 Torr получены тонкие (50Ц200 ) пленки железа на подложках арсенида галлия (100). Методом ФМР на частоте 9.8 GHz исследованы зависимости намагниченности насыщения, констант кубической и одноосной плоскостной анизотропии, ширины линии ферромагнитного резонанса от толщины пленок. Показано, что параметры термически осажденных пленок Fe/GaAs (001) сравнимы с аналогичными величинами, обеспечиваемыми молекулярно-лучевой эмитаксией.

Введение магнитных свойств [6,8]. Для пленок Fe/GaAs, полученных МЛЭ, указанное влияние наиболее ярко проявМагнитные свойства тонких пленок железа, выращен- ляется в поведении константы одноосной плоскостной ных на подложке арсенида галлия, активно исследуются анизотропии Ku и параметра H от толщины пленки t.

как в связи с перспективностью применения таких струк- Представляется интересным подобрать технологические тур в интегральных устройствах микоэлектроники [1,2] параметры термического распыления, которые при невыи спин-зависимой наноэлектроники [3], так и с целью соком уровне вакуума в камере напыления 10-5 Torr и в изучения фундаментальных проблем магнетизма [4]. Па- присутствии в составе остаточной атмосферы масляных раметры кристаллических решеток этих материалов от- паров позволят тем не менее обнаружить указанное влиличаются не более чем на 5%, что обеспечивает возмож- яние интерфейса на формирование свойств термически ность ориентированного роста пленок Fe. Молукулярно- напыленных пленок Fe/GaAs (001).

учевая эпитаксия (МЛЭ) позволяет получать пленки Fe на подложках GaAs ориентаций (110) [5] и (100) [6Ц8], Термическое напыление которые при толщинах t 30... 200 обладают высопленок Fe/GaAs (001) ким качеством кристаллической и магнитной структуры, что проявляется, например, в величине ширины линии Для получения пленок Fe использовался вакуумный ферромагнитного резонанса (ФМР) H 20 Oe не универсальный пост ВУП-5, обеспечивающий в откачихуже, чем у объемного материала. Сообщалось также ваемом объеме вакуум не хуже 10-5 Torr. Предварительо получении эпитаксиальных пленок Fe/GaAs методом но обезгаженный порошок железа равномерно распоионно-лучевого распыления [9], обеспечивающим зналагался на танталовом тигле, который устанавливался чения H 20 Oe лишь для сравнительно толстых так, чтобы обеспечить нормальное падение атомов Fe пленок > 700. Свойства термически напыленных плена подложку GaAs. Температура тигля в процессе нанок Fe/GaAs до сих пор не рассматривались. В данпыления не превышала температуру плавления железа ной работе показана возможность получения методом (1536C), обеспечивая таким образом режим возгонки.

термического распыления пленок Fe/GaAs (001) толщиПодложки размерами 4 3 mm вырезались из пластин ной t 50Ц200, которые по своим свойствам сравнипромышленного полуизолирующего GaAs (100) с чимы с пленками аналогичных толщин, полученных МЛЭ.

стотой поверхности, отвечающей 14 классу. Образцы Отметим, что свойства термически напыленных плеочищались от органических соединений промывкой в нок железа обсуждались ранее, по нашим сведениям, щелочной среде и дистиллированной воде аналогично [7] лишь в двух работах. В работе [10] была использои закреплялась на держателе, который мог нагреваться вана подожка MgO, при этом ширина линии ФМР током для обеспечения возможности обезгаживания или самой тонкой из исследованных пленок толщиной выбора рабочей температуры подложки. Рядом в дерссоставляла порядка 40 Oe. В работе [11] напыление жателем располагалась кварцевая пластина, резонансная проводилось на скол монокристалла фтористого лития частота которой измерялась до и после напыления, что и лучший результат для пленки толщиной 900 соста- позволяло по известному способу кварцевого измеривил 85 Oe. Свойства более тонких термически напылен- теля толщины [12] определять осаждения пленки и ее ных пленок Fe вообще не описаны. Между тем тонкие толщину.

пленки интересны не только с точки зрения их исполь- Процесс напыления проводился следующим образом.

зования, но и как объект, в котором удается исследовать Подложка обезгаживалась в течение 5 мин. при темперароль поверхности пленки и интерфейса в формировании туре 550C, после чего остывала естественным образом.

140 А.А. Веселов, А.Г. Веселов, С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Ю.А. Филимонов В это время тигель нагревался до рабочей температуры, достижение которой определялось как по величине потребляемой мощности, так и визуально Ч через смотровое окно по появлению на полированном участке заслонки напыленного слоя. При выбранной температуре подложки (достигаемой в процессе остывания или обеспеченной нагревом держателя), контролируемой с помощью термопары, заслонка открывалась на выбранное время, обеспечивая возможность падения потока атомов железа как на подложку, так и на кварцевую пластину.

Магнитные параметры пленок определялись с помощью метода ФМР на частоте 9.8 GHz при частоте модуляции магнитного поля 30 kHz. Ширина линии ФМР определась как расстояние между экстремумами наблюдаемой зависимости от магнитного поля производной от отраженной мощности, средняя точка между Рис. 1. Зависимости намагниченности насыщения 4M0eff от экстремумами определяла величину резонансного по- толщины пленок.

я Hr. Сопоставление экспериментальной и расчетной зависимости Hr от угла между направлением внешнего касательного к поверхности структуры постоянного магнитного поля H0 и осью[100] позволяло определять эффективную намагниченность насыщения 4M0eff и константы кубической K1 и одноосной Ku анизотропии аналогично [7].

Результаты и обсуждение На рис. 1Ц4 изображены зависимости 4M0eff, K1, Ku и H от толщины пленок, полученных в разных условиях. Кривые 1 и 2 описывают результаты, полученные при напылении на подложки, остывшие после обезгаживания, а затем нагретые перед открыванием заслонки до 50 и 150C; назовем эти технологии режимами Рис. 2. Зависимости константы плоскостной одноосной анизои 2 соответственно. Кривые 3 представляют данные, тропии Ku от толщины пленок.

полученные в случае, когда заслонка открывалась в момент достижения подложкой температуры 150C при остывании после обезгаживания (режим 3). Для сравнения приведены результаты, достигнутые в [7] с пленки тоньше 90, рост которых проходит в постоянно помощью МЛЭ (кривые 4). Отметим, что характер за- меняющихся условиях, имеют столь несовершенную висимостей магнитных параметров от толщины в целом структуру, что исследовать их с помощью метода ФМР соответствует приведенным в [5Ц7] данным. не удавалось. Отметим, что при использовании режима Из рисунка видно, что технологический режим 2 температура подложки оставалась практически постоянобеспечивает наилучшее качество пленок. Насыщение ной.

зависимости 4M0eff(t) (рис. 1) происходит уже при Особенностью полученных результатов оказалось то, толщине около 80, сравнимой со случаем технологии что качество пленок определялось не только стабильМЛЭ (кривая 4), хотя и при величине 4M0eff 16 kG, ностью температуры подложки, но и ее температурной на 10% меньшей. Причиной последнего служит, очевид- историей. Из рис. 2 видно, что несмотря на равенство но, большее число посторонних включений в решетку температур подложек при напылении в режимах вследствие более низкого вакуума. В режиме 1 темпе- и 3, характер зависимости Ku(t) в этих случаях резко ратура подложки с начала напыления растет вследствие отличается. Кривая 2, имея локальный максимум при теплового излучения тигля. Поскольку специальных мер t 100, в целом демонстрирует стабильный и невыпо стабилизации температуры подложки в процессе на- сокий уровень этой константы, что свидетельствует о пыления не принималось, рост температуры прекращал- высокой степени кубической симметрии. В то же время ся лишь при достижении теплового равновесия подлож- режим 3 приводит к заметному росту величины Ku ки с окружающими технологическими конструкциями с уменьшением толщины аналогично тому, как это при 150C (рис. 5). Вероятно, по этой причине имеет место при t < 100 для технологии МЛЭ Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Магнитные свойства термически напыленных тонких пленок Fe/GaAs (100) (рис. 3, кривые 3 и 4). При этом зависимости констант кубической анизотропии (рис. 3, кривые 2 и 3), несмотря на то что при равных толщинах кривая 2 демонстрирует большие значения K1, имеют аналогичный вид.

Обсудим возможные причины разницы в поведении зависимостей Ku(t) пленок, полученных в режимах 2 и 3. В работе [6] рост одноосной анизотропии с уменьшением толщины пленки связывался с влиянием неэквивалент ности кристаллографических направлений [110] и [110] в подложке GaAs (100), что в свою очередь определяло направление преимущественного роста островков на начальных стадиях роста пленки. Там же указывалось на то, что максимальной величины этот эффект может достичь для Ga- или As-стабилизированной поверхности GaAs (100). Вероятно, в наших экспериментах была реализована именно такая ситуация Ч в режиме в результате испарения (в процессе обезгаживания) более летучего мышьяка вблизи поверхности мог форРис. 5. Зависимости температуры подложки от времени при мироваться обогащенный галлием слой, определяющий напылении в режиме 1.

возникновение одноосной анизотропии. Напротив, в подложке, которая перед напылением остыла, равновесие галлия и мышьяка имеет возможность восстановиться в результате процессов диффузии. Таким образом, преимущество режима 3, заключающееся в том, что исключается процесс повторной адсорбции остаточных газов на поверхность подложки при остывании пленки, оказывается препятствием при росте кубически анизотропных кристаллов, но может быть использовано при необходимости получения пленок с большой одноосной анизотропией.

На рис. 4 представлена зависимость ширины линии ФМР от толщины. Видно, что и по этому параметру режимы, описываемые кривыми 2 и 3, позволяют достигать лучших результатов, чем в случае 1; при этом величина H в интервале толщин 70 < t < 200 не превышает значений, достигаемых МЛЭ, имея при этом монотонный, а не резонансный характер зависимости от толщины.

Рис. 3. Зависимости константы кубической анизотропии K1 от толщины пленок.

Заключение Таким образом, показана возможность с помощью термического испарения получать тонкие (50Ц200 ) пленки железа на подложке арсенида галлия (100) с узкой (20Ц60 Oe) линией ферромагнитного резонанса.

Подбором технологического режима напыления обеспечены зависимости намагниченности насыщения, констант кубической и одноосной плоскостной анизотропии от толщины, близкие к аналогичныи для пленок, выращенных молекулярно-лучевой эпитаксией. Показано, что на формирование анизотропных свойств пленки железа влияет не только температура подложки, но и ее температурная история.

Рис. 4. Зависимости ширины линии ФМР H от толщины Работа поддержана грантом РФФИ № 01-02-17178.

пленок.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 142 А.А. Веселов, А.Г. Веселов, С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Ю.А. Филимонов Список литературы [1] Schloemann E., Tuistison R., Weissman J. et al. // J. Appl.

Phys. 1988. Vol. 63 (8). P. 3140Ц3142.

[2] Chen S. Tsai, Jun Su, Chin. C. Lee // IEEE Tsans. on Magn.

1999. Vol. 35. N 5. P. 3178Ц3180.

[3] Wolf S.A., Treger D. // IEEE Transactions on Magnetics. 2000.

Vol. 36. N 5. P. 2748Ц2751.

[4] Hans J. Hag, Stiefel B., Moser A. et al. // J. Appl. Phys. 1996.

Vol. 79 (8). P. 5609Ц5614.

[5] Prinz G.A., Krebs J.J. // Appl. Phys. Lett. 1981. Vol. 39 (5).

P. 397Ц399.

[6] Krebs J.J., Jonker B.T., Prinz G.A. // J. Appl. Phys. 1987.

Vol. 61 (7). P. 2596Ц2599.

[7] Высоцкий С.Л., Джумалиев А.С., Филимонов Ю.А. и др. // РиЭ. 2000. Т. 45. № 2. C. 209Ц213.

[8] Oliver S.A., Vittoria C., Schloemann E. et al. // J. Appl. Phys.

1988. Vol. 63 (8). P. 3802Ц3804.

[9] Goryunov Yu.V., GarifТyanov N.N., Khaliullin G.G. et al. // Phys. Rew. B. 1995. Vol. 52. N 18. P. 13450Ц13458.

[10] Luc Thomas, Stuart S.P. Parkin, Jun Yu. // Appl. Phys. Lett.

2000. Vol. 76. N 6. P. 766Ц768.

[11] Gondo Y., Usami S., Itoh K. et al. // J. Appl. Phys. 1963.

Vol. 34 (4). P. 1081Ц1082.

[12] Ваганов А.Б., Василевский В.В. // ФТТ. 1974. Т. 16. Вып. 7.

С. 2044Ц2049.

[13] Технология тонких пленок. Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. / Под ред.

М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 2. М.: Сов. радио, 1977.

768 с.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.    Книги по разным темам